stringtranslate.com

Эксперименты по лунной лазерной локации

Эксперимент по лунной лазерной локации миссии Аполлон-11

Лунная лазерная локация (LLR) — это практика измерения расстояния между поверхностями Земли и Луны с использованием лазерной локации . Расстояние можно рассчитать по времени прохождения туда и обратно импульсов лазерного света , движущихся со скоростью света , которые отражаются обратно на Землю от поверхности Луны или от одного из нескольких ретрорефлекторов , установленных на Луне. Три из них были размещены в рамках американской программы «Аполлон» ( 11 , 14 и 15 ), два — советских миссий «Луноход-1» и «Луноход-2» [ 1] и один — индийской миссии «Чандраян-3» . [2] [3]

Хотя можно отражать свет или радиоволны непосредственно от поверхности Луны (процесс, известный как EME ), гораздо более точное измерение дальности можно выполнить с помощью ретрорефлекторов, поскольку из-за их небольшого размера временной разброс отраженного сигнала невелик. значительно меньше. [4]

Измерения лазерной локации также можно проводить с помощью ретрорефлекторов, установленных на спутниках, находящихся на орбите Луны, таких как LRO . [5] [6]

История

Аполлон-15 ЛРРР
Схема LRRR Аполлона-15

Первые успешные испытания по определению местоположения Луны были проведены в 1962 году, когда Луи Смуллину и Джорджио Фьокко из Массачусетского технологического института удалось наблюдать лазерные импульсы, отраженные от поверхности Луны, с помощью лазера с длительностью импульса 50 Дж (0,5 миллисекунды). [7] Позже в том же году аналогичные измерения были получены советской группой в Крымской астрофизической обсерватории с использованием рубинового лазера с модуляцией добротности . [8]

Вскоре после этого аспирант Принстонского университета Джеймс Фаллер предложил разместить на Луне оптические отражатели, чтобы повысить точность измерений. [9] Это было достигнуто после установки ретрорефлекторной решетки 21 июля 1969 года экипажем Аполлона-11 . Еще две решетки ретрорефлекторов оставили миссии «Аполлон-14» и «Аполлон-15» . Об успешных измерениях дальности лунного лазера до ретрорефлекторов впервые было сообщено 1 августа 1969 года с помощью 3,1-метрового телескопа Ликской обсерватории . [9] Вскоре последовали наблюдения из Кембриджской исследовательской лаборатории ВВС Лунной обсерватории в Аризоне, обсерватории Пик-дю-Миди во Франции, Токийской астрономической обсерватории и обсерватории Макдональда в Техасе.

Беспилотные советские марсоходы «Луноход-1» и «Луноход-2» несли меньшие массивы. Отраженные сигналы первоначально принимались с Лунохода-1 Советским Союзом до 1974 года, а не западными обсерваториями, которые не имели точной информации о местоположении. В 2010 году лунный разведывательный орбитальный аппарат НАСА обнаружил на изображениях луноход «Луноход-1», а в апреле 2010 года группа из Калифорнийского университета провела дальномерное исследование массива. [10] Массив «Лунохода-2 » продолжает возвращать сигналы на Землю. [11] Массивы Лунохода страдают от снижения производительности под прямыми солнечными лучами — фактор, который учитывался при размещении отражателей во время миссий «Аполлон». [12]

Массив «Аполлона-15» в три раза превышает размер массивов, оставленных двумя предыдущими миссиями «Аполлон». Его размер сделал его объектом трех четвертей выборочных измерений, проведенных за первые 25 лет эксперимента. С тех пор усовершенствования в технологии привели к более широкому использованию меньших массивов в таких местах, как Обсерватория Лазурного Берега в Ницце , Франция; и Операция по лунной лазерной локации обсерватории Апач-Пойнт (APOLLO) в обсерватории Апач-Пойнт в Нью-Мексико .

В 2010-е годы было запланировано несколько новых световозвращателей . Отражатель MoonLIGHT , который должен был быть размещен на частном спускаемом аппарате MX-1E , был разработан для повышения точности измерений до 100 раз по сравнению с существующими системами. [13] [14] [15] Запуск MX-1E должен был состояться в июле 2020 года, [16] однако по состоянию на февраль 2020 года запуск MX-1E был отменен. [17] Индийский лунный модуль Chandrayaan-3 успешно разместил на Луне шестой отражатель в августе 2023 года. [3] MoonLIGHT будет запущен в начале 2024 года в рамках миссии Commercial Lunar Payload Services (CLPS). [18]

Принцип

Аннотированное изображение обратной стороны Луны, показывающее расположение светоотражателей, оставленных на поверхности миссиями «Аполлон» и «Луноход» [19]

Расстояние до Луны рассчитывается приблизительно по уравнению: расстояние = ( скорость света × продолжительность задержки из-за отражения )/2 . Поскольку скорость света является определенной константой, преобразование расстояния во время полета может быть произведено без двусмысленности.

Чтобы точно рассчитать расстояние до Луны, помимо времени полета туда и обратно, составляющего около 2,5 секунд, необходимо учитывать множество факторов. К этим факторам относятся расположение Луны на небе, относительное движение Земли и Луны, вращение Земли, либрация Луны , движение полюсов , погода , скорость света в различных частях воздуха, задержка распространения света в атмосфере Земли , расположение света. наблюдательная станция и ее движение из-за движения земной коры , приливов и релятивистских эффектов . [20] [21] Расстояние постоянно меняется по ряду причин, но в среднем составляет 385 000,6 км (239 228,3 миль) между центром Земли и центром Луны. [22] Орбиты Луны и планет численно интегрируются вместе с ориентацией Луны, называемой физической либрацией . [23]

На поверхности Луны ширина луча составляет около 6,5 километров (4,0 миль) [24] [i] , и ученые сравнивают задачу наведения луча с использованием винтовки, чтобы поразить движущийся десятицентовик на расстоянии 3 километров (1,9 мили). Отраженный свет слишком слаб, чтобы его можно было увидеть человеческим глазом. Из импульса 3×10 17 фотонов [25] , направленного на отражатель, обратно на Землю принимается лишь около 1–5, даже при хороших условиях. [26] Их можно идентифицировать как исходящие от лазера, поскольку лазер очень монохроматичен .

По состоянию на 2009 год расстояние до Луны можно измерить с точностью до миллиметра. [27] В относительном смысле это одно из самых точных измерений расстояний, когда-либо сделанных, и по точности оно эквивалентно определению расстояния между Лос-Анджелесом и Нью-Йорком с точностью до ширины человеческого волоса.

Список светоотражателей

Список обсерваторий

В таблице ниже представлен список активных и неактивных станций лунной лазерной локации на Земле. [22] [28]

Анализ данных

Данные лунной лазерной локации собираются для извлечения числовых значений ряда параметров. Анализ данных о дальности включает в себя динамику, земную геофизику и лунную геофизику. Задача моделирования включает в себя два аспекта: точный расчет лунной орбиты и ориентации Луны, а также точную модель времени полета от наблюдательной станции до ретрорефлектора и обратно на станцию. Данные современной лунной лазерной локации могут соответствовать среднеквадратичной остаточной величине в 1 см.

Модель диапазона включает в себя [36] [37]

Для наземной модели источником подробной информации являются Конвенции IERS (2010 г.). [38]

Полученные результаты

Данные измерений лазерной локации Луны доступны в Центре лунного анализа Парижской обсерватории, [39] в архивах Международной службы лазерной локации, [40] [41] и на активных станциях. Вот некоторые результаты этого долгосрочного эксперимента : [22]

Свойства Луны

Гравитационная физика

Галерея

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ За время полета туда и обратно наблюдатель Земли пройдет около1 км (в зависимости от широты). Это было ошибочно представлено как «опровержение» эксперимента по определению дальности, поскольку утверждается, что луч, направленный на такой маленький отражатель, не может поразить такую ​​движущуюся цель. Однако размер луча намного больше любого движения, особенно возвращающегося луча.
  1. ^ Чапрон, Дж.; Шапрон-Тузе, М.; Франку, Г. (1999). «Определение параметров орбиты и вращения Луны, а также ориентации системы отсчета эклиптики на основе измерений LLR и данных IERS». Астрономия и астрофизика . 343 : 624–633. Бибкод : 1999A&A...343..624C.
  2. ^ "Чандраян-3". ИСРО . Проверено 15 августа 2023 г.
  3. ↑ Аб Диллон, Амрит (23 августа 2023 г.). «Индия впервые в истории приземлила космический корабль возле южного полюса Луны» . Хранитель . Проверено 23 августа 2023 г.
  4. ^ Мюллер, Юрген; Мерфи, Томас В.; Шрайбер, Ульрих; Шелус, Питер Дж.; Торре, Жан-Мари; Уильямс, Джеймс Г.; Боггс, Дейл Х.; Букийон, Себастьен; Бургуэн, Адриан; Хофманн, Франц (2019). «Лунная лазерная локация: инструмент для общей теории относительности, лунной геофизики и наук о Земле». Журнал геодезии . 93 (11): 2195–2210. Бибкод : 2019JGeod..93.2195M. дои : 10.1007/s00190-019-01296-0. ISSN  1432-1394. S2CID  202641440.
  5. ^ Мазарико, Эрван; Сунь, Сяоли; Торре, Жан-Мари; Курд, Клеман; Шабе, Жюльен; Аймар, Мурад; Мари, Эрве; Морис, Николя; Баркер, Майкл К.; Мао, Дандан; Кремонс, Дэниел Р.; Букийон, Себастьен; Карлуччи, Тедди; Вишванатан, Вишну; Лемуан, Фрэнк; Бургуэн, Адриан; Эксертье, Пьер; Нойманн, Грегори; Зубер, Мария; Смит, Дэвид (6 августа 2020 г.). «Первая двусторонняя лазерная дальность до лунного орбитального аппарата: инфракрасные наблюдения от станции Грасс до системы ретро-рефлекторов LRO». Земля, планеты и космос . 72 (1): 113. Бибкод : 2020EP&S...72..113M. дои : 10.1186/s40623-020-01243-w . hdl : 11603/19523 . ISSN  1880-5981.
  6. ↑ Корней, Кэтрин (15 августа 2020 г.). «Как разгадать тайну Луны? Выстрелите в нее лазером». Нью-Йорк Таймс . ISSN  0362-4331 . Проверено 1 июня 2021 г.
  7. ^ Смуллин, Луи Д.; Фиокко, Джорджо (1962). «Оптическое эхо Луны». Природа . 194 (4835): 1267. Бибкод : 1962Natur.194.1267S. дои : 10.1038/1941267a0 . S2CID  4145783.
  8. ^ Бендеры, Польша; и другие. (1973). «Эксперимент по лунной лазерной локации: точные дальности позволили значительно улучшить лунную орбиту и получить новую селенофизическую информацию» (PDF) . Наука . 182 (4109): 229–238. Бибкод : 1973Sci...182..229B. дои : 10.1126/science.182.4109.229. PMID  17749298. S2CID  32027563.
  9. ^ аб Ньюман, Майкл Э. (26 сентября 2017 г.). «На Луну и обратно… за 2,5 секунды». НИСТ . Проверено 27 января 2021 г.
  10. ↑ Макдональд, К. (26 апреля 2010 г.). «Физики Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружили на Луне давно потерянный советский отражатель». Калифорнийский университет, Сан-Диего. Архивировано из оригинала 30 апреля 2010 года . Проверено 27 апреля 2010 г.
  11. ^ abc Уильямс, Джеймс Г.; Дики, Джин О. (2002). Лунная геофизика, геодезия и динамика (PDF) . 13-й международный семинар по лазерной локации. 7–11 октября 2002 г. Вашингтон, округ Колумбия.
  12. ^ «Стареют не только астронавты» . Вселенная сегодня . 10 марта 2010 г. Проверено 24 августа 2012 г.
  13. ^ Карри, Дуглас; Делл'Аньелло, Симона; Делле Моначе, Джованни (апрель – май 2011 г.). «Лунная лазерная локационная ретрорефлекторная решетка для 21 века». Акта Астронавтика . 68 (7–8): 667–680. Бибкод : 2011AcAau..68..667C. doi :10.1016/j.actaastro.2010.09.001.
  14. ↑ Тьюн, Ли (10 июня 2015 г.). «UMD, Италия и MoonEx объединяются, чтобы разместить на Луне новые лазерные отражающие решетки». УМД прямо сейчас . Университет Мэриленда. Архивировано из оригинала 22 марта 2018 года . Проверено 21 марта 2018 г.
  15. ↑ Бойл, Алан (12 июля 2017 г.). «Лунный экспресс представляет план гигантских прыжков на поверхность Луны... и обратно». GeekWire . Проверено 15 марта 2018 г.
  16. ↑ Moon Express Lunar Scout (MX-1E), RocketLaunch.Live, заархивировано из оригинала 27 июля 2019 г. , получено 27 июля 2019 г.
  17. ^ «MX-1E 1, 2, 3» . Проверено 24 мая 2020 г.
  18. ^ «Полезная нагрузка НАСА для (CLPS PRISM) CP-11» .
  19. ^ «Был ли Галилей неправ?» НАСА . 6 мая 2004 г. Архивировано из оригинала 30 апреля 2022 г.
  20. ^ Зеебер, Гюнтер (2003). Спутниковая геодезия (2-е изд.). де Грюйтер. п. 439. ИСБН 978-3-11-017549-3. OCLC  52258226.
  21. ^ Уильямс, Джеймс Г.; Боггс, Дейл Х. (2020). «Модель лунного лазера JPL 2020». ssd.jpl.nasa.gov . Проверено 24 мая 2021 г.
  22. ^ abcdefg Мерфи, TW (2013). «Лазерная локация Луны: проблема миллиметров» (PDF) . Отчеты о прогрессе в физике . 76 (7): 2. arXiv : 1309,6294 . Бибкод : 2013РПФ...76г6901М. дои : 10.1088/0034-4885/76/7/076901. PMID  23764926. S2CID  15744316.
  23. ^ Аб Парк, Райан С.; Фолкнер, Уильям М.; Уильямс, Джеймс Г.; Боггс, Дейл Х. (2021). «Планетарные и лунные эфемериды DE440 и DE441 JPL». Астрономический журнал . 161 (3): 105. Бибкод : 2021AJ....161..105P. дои : 10.3847/1538-3881/abd414 . ISSN  1538-3881. S2CID  233943954.
  24. ^ Аб Эспенек, Ф. (август 1994 г.). «НАСА - Точность прогнозов затмений». НАСА/GSFC . Проверено 4 мая 2008 г.
  25. ^ «Основы лунной дальности» . Проверено 21 июля 2023 г.
  26. ↑ Мерковиц, Стивен М. (2 ноября 2010 г.). «Испытания гравитации с использованием лунной лазерной локации». Живые обзоры в теории относительности . 13 (1): 7. Бибкод : 2010LRR....13....7M. дои : 10.12942/lrr-2010-7. ISSN  1433-8351. ПМК 5253913 . ПМИД  28163616. 
  27. ^ аб Баттат, JBR; Мерфи, ТВ; Адельбергер, Э.Г.; и другие. (январь 2009 г.). «Операция лунной лазерной локации обсерватории Апач-Пойнт (АПОЛЛОН): два года измерений с миллиметровой точностью диапазона Земля-Луна1». Публикации Тихоокеанского астрономического общества . 121 (875): 29–40. Бибкод : 2009PASP..121...29B. дои : 10.1086/596748 . JSTOR  10.1086/596748.
  28. ^ Бискупек, Лилиан; Мюллер, Юрген; Торре, Жан-Мари (3 февраля 2021 г.). «Преимущество новых высокоточных данных LLR для определения релятивистских параметров». Вселенная . 7 (2): 34. arXiv : 2012.12032 . Бибкод : 2021Унив....7...34Б. дои : 10.3390/universe7020034 .
  29. ^ Бендеры, Польша; Карри, генеральный директор; Дики, Р.Х.; Экхардт, Д.Х.; Фаллер, Дж. Э.; Каула, ВМ; Малхолланд, доктор юридических наук; Плоткин, Х.Х.; Пултни, СК; и другие. (1973). «Эксперимент по лунной лазерной локации». Наука . 182 (4109): 229–238. Бибкод : 1973Sci...182..229B. дои : 10.1126/science.182.4109.229. ISSN  0036-8075. PMID  17749298. S2CID  32027563.
  30. ^ Ягудина (2018). «Обработка и анализ данных лунных лазерных локаторов в Крыму в 1974-1984 гг.». Институт прикладной астрономии Российской академии наук . Проверено 1 июня 2021 г.
  31. ^ Шабе, Жюльен; Курд, Клеман; Торре, Жан-Мари; Букийон, Себастьен; Бургуэн, Адриан; Аймар, Мурад; Альбанезе, Доминик; Шовино, Бертран; Мари, Эрве; Мартино-Лагард, Грегуар; Морис, Николя (2020). «Последние достижения в области лунной лазерной локации на станции лазерной локации в Грассе». Наука о Земле и космосе . 7 (3): e2019EA000785. Бибкод : 2020E&SS....700785C. дои : 10.1029/2019EA000785 . ISSN  2333-5084. S2CID  212785296.
  32. ^ "Обсерватория Лур". Институт астрономии Гавайского университета . 29 января 2002 года . Проверено 3 июня 2021 г.
  33. ^ "APOL - Обсерватория Апач-Пойнт" .
  34. ^ Экль, Иоганн Дж.; Шрайбер, К. Ульрих; Шулер, Торбен (30 апреля 2019 г.). «Лазерная локация Луны с использованием высокоэффективного твердотельного детектора в ближнем ИК-диапазоне». В Домокосе, Петр; Джеймс, Ральф Б; Прохазка, Иван; Соболевский, Роман; Гали, Адам (ред.). Квантовая оптика и счет фотонов 2019 . Том. 11027. Международное общество оптики и фотоники. п. 1102708. Бибкод : 2019SPIE11027E..08E. дои : 10.1117/12.2521133. ISBN 9781510627208. S2CID  155720383.
  35. ^ Ли Юцян, 李语强; Фу Хунлинь, 伏红林; Ли Жунван, 李荣旺; Тан Жуфэн, 汤儒峰; Ли Чжулянь, 李祝莲; Чжай Дуншэн, 翟东升; Чжан Хайтао, 张海涛; Пи Сяоюй, 皮晓宇; Е Сяньцзи, 叶贤基; Сюн Яохэн, 熊耀恒 (27 января 2019 г.). «Исследование и эксперимент лунной лазерной локации в обсерваториях Юньнани». Китайский журнал лазеров . 46 (1): 0104004. doi :10.3788/CJL201946.0104004. S2CID  239211201.
  36. ^ аб Павлов, Дмитрий А.; Уильямс, Джеймс Г.; Суворкин, Владимир Владимирович (2016). «Определение параметров орбитального и вращательного движения Луны по наблюдениям LLR с использованием моделей, рекомендованных GRAIL и IERS». Небесная механика и динамическая астрономия . 126 (1): 61–88. arXiv : 1606.08376 . Бибкод : 2016CeMDA.126...61P. дои : 10.1007/s10569-016-9712-1. ISSN  0923-2958. S2CID  119116627.
  37. ^ Уильямс, Джеймс Г.; Боггс, Дейл Х. (2020). «Модель лунного лазера JPL 2020». ssd.jpl.nasa.gov . Проверено 1 июня 2021 г.
  38. ^ «IERS - Технические примечания IERS - Конвенции IERS (2010 г.)» . www.iers.org . Проверено 1 июня 2021 г.
  39. ^ «Наблюдения лунной лазерной локации с 1969 по май 2013 года» . Парижская обсерватория СИРТ . Проверено 3 июня 2014 г.
  40. ^ "Международная служба лазерной локации".
  41. ^ "Международная служба лазерной локации".
  42. ^ аб Уильямс, Джеймс Г.; Боггс, Дейл Х. (2016). «Вековые приливные изменения лунной орбиты и вращения Земли». Небесная механика и динамическая астрономия . 126 (1): 89–129. Бибкод : 2016CeMDA.126...89W. дои : 10.1007/s10569-016-9702-3. ISSN  0923-2958. S2CID  124256137.
  43. ^ Биллс, Б.Г.; Рэй, Р.Д. (1999). «Эволюция лунной орбиты: синтез последних результатов». Письма о геофизических исследованиях . 26 (19): 3045–3048. Бибкод : 1999GeoRL..26.3045B. дои : 10.1029/1999GL008348 .
  44. ^ Уильямс, Джеймс Г.; Боггс, Дейл Х.; Йодер, Чарльз Ф.; Рэтклифф, Дж. Тодд; Дики, Джин О. (2001). «Лунная вращательная диссипация в твердом теле и расплавленном ядре». Журнал геофизических исследований: Планеты . 106 (Е11): 27933–27968. Бибкод : 2001JGR...10627933W. дои : 10.1029/2000JE001396 .
  45. ^ Рамбо, Н.; Уильямс, Дж. Г. (2011). «Физические либрации Луны и определение их свободных мод» (PDF) . Небесная механика и динамическая астрономия . 109 (1): 85–100. Бибкод : 2011CeMDA.109...85R. дои : 10.1007/s10569-010-9314-2. S2CID  45209988.
  46. ^ abc Вишванатан, В.; Рамбо, Н.; Фиенга, А.; Ласкар, Дж.; Гастино, М. (9 июля 2019 г.). «Наблюдательные ограничения на радиус и сжатие границы лунного ядра и мантии». Письма о геофизических исследованиях . 46 (13): 7295–7303. arXiv : 1903.07205 . Бибкод : 2019GeoRL..46.7295V. дои : 10.1029/2019GL082677. S2CID  119508748.
  47. ^ Вагнер, Р.В.; Нельсон, DM; Плешиа, Дж.Б.; Робинсон, Миссисипи; Шпейерер, Э.Дж.; Мазарико, Э. (2017). «Координаты антропогенных объектов на Луне». Икар . 283 : 92–103. Бибкод : 2017Icar..283...92W. дои : 10.1016/j.icarus.2016.05.011 . ISSN  0019-1035.
  48. ^ Аб Уильямс, JG; Ньюхолл, XX; Дики, Джо (1996). «Параметры относительности, определенные с помощью лунной лазерной локации». Физический обзор D . 53 (12): 6730–6739. Бибкод : 1996PhRvD..53.6730W. doi : 10.1103/PhysRevD.53.6730. ПМИД  10019959.
  49. ^ Копейкин, С.; Се, Ю. (2010). «Небесные системы отсчета и калибровочная свобода в постньютоновской механике системы Земля – Луна». Небесная механика и динамическая астрономия . 108 (3): 245–263. Бибкод : 2010CeMDA.108..245K. дои : 10.1007/s10569-010-9303-5. S2CID  122789819.
  50. ^ Адельбергер, Е.Г.; Хекель, БР; Смит, Г.; Су, Ю.; Суонсон, HE (1990). «Эксперименты Этвёша, определение местоположения Луны и сильный принцип эквивалентности». Природа . 347 (6290): 261–263. Бибкод : 1990Natur.347..261A. дои : 10.1038/347261a0. S2CID  4286881.
  51. ^ Вишванатан, В.; Фиенга, А; Минаццоли, О; Бернус, Л; Ласкар, Дж; Гастино, М. (май 2018 г.). «Новая лунная эфемерида INPOP17a и ее применение к фундаментальной физике». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 476 (2): 1877–1888. arXiv : 1710.09167 . Бибкод : 2018MNRAS.476.1877V. doi : 10.1093/mnras/sty096.
  52. ^ Мюллер, Дж.; Бискупек, Л. (2007). «Вариации гравитационной постоянной по данным лунной лазерной локации». Классическая и квантовая гравитация . 24 (17): 4533. doi : 10.1088/0264-9381/24/17/017. S2CID  120195732.

Внешние ссылки